黄顺祥：向霾挑战

文/曹舒雅

黄顺祥：向霾挑战

文/曹舒雅

2016年9月12日,在中国国际展览中心,中国人民解放军防化学院院长呼小平少将,发布“全国空气质量高分辨率预报和污染控制决策支持系统（NARS,简称呐思系统）”。这则消息迅速被多家媒体头条推送。NARS的成功问世,有一个至关重要的角色,他就是NARS研究团队的领军人物,防化学院研究员黄顺祥。

跨领域学霸

1976年,黄顺祥出生在重庆的一个偏远山村。因为家境贫寒,“上了小学没想过上初中,上了初中没想过上高中”的黄顺祥,凭借天分和勤奋,一路读到了理学博士,并成为能带博士团队的科学家。小学毕业不打算再上学,但升学考试成绩距满分只差15分；因为中考时报考了普通高中,被爸爸打了一耳光,中考却以全班第一名的成绩考入省重点高中。黄顺祥或许就是天生读书的料。

你若说他聪明,黄顺祥却说自己做了很多“傻事”。1995年,黄顺祥高考考入中国人民解放军防化学院军事指挥专业。在大学,高等数学作业通常是同学们最头疼的事儿,可黄顺祥却觉得老师布置的作业不过瘾,自己把高等数学上、下册所有习题都做了一遍。学C语言编程,黄顺祥又买了一本编程习题集来“过瘾”,并发现了书中的几十处错误。这也不是他第一次“不尽信书本”,高中时做奥林匹克物理竞赛题,黄顺祥发现一道题答案好像不对,经反复计算确认后,他大胆写信给编写题集的武汉大学教授,阐述自己的解题方法和答案,不久后他收到教授的亲笔回信:下一版修正。

傻事做多了,就遇上了好事。大学期间,黄顺祥参加北京市高等数学竞赛和大学物理竞赛同时获奖,在大三时就立了三等功；大四的时候,学院又破例跨专业免试录取他为工程学研究生。

为了拓宽视野,黄顺祥的研究生导师陈海平特意协调派送他到清华大学学习基础学科、到北京大学学习专业学科、到中国科学院大气物理研究所完成毕业论文。由于是跨专业,很多专业学科黄顺祥都是零基础,但是在结课前,他总会迎头赶上,令地方高校的教授称赞不已。

研究生期间,黄顺祥参加了哈尔巴岭日遗化武埋藏点中日联合调查作业。时任履约事务局赵福金局长说:“对于处理哈尔巴岭日遗化武,我唯一没底的是这么大的埋藏点,发生爆炸后毒剂云团在如此复杂的地形上将如何扩散和造成多大的危害？”带着这个难题,黄顺祥进入到研究生的毕业论文中,并在论文中解决了复杂地形上毒剂云团扩散这一难题,并因此荣获以叶笃正院士名字命名的“学笃风正奖”和军队科技进步二等奖。

刚工作不久,SARS病毒侵袭我国。黄顺祥从湖南结婚回到学院就被集体隔离。隔离期间,黄顺祥对这个新型病毒产生了兴趣,开始查阅传染病疫情预测的科学文献,通过深入分析研究已有三代传染病模型,试图预测疫情的发展。但推导和试验一度陷入困局。一天,黄顺祥突发奇想,既然原有传染病模型不能表达控制措施对疫情发展的规律,那么就先探索控制措施对疫情影响的动力学关系。按照这个思路,黄顺祥很快就找到反映控制措施对疫情影响的动力学规律,将新建立的疫情控制函数与传统的第三代传染病模型联立求解,对“非典”疫情的预测准确性显著提高。

遗憾的是,由于缺乏思路和有效途径,黄顺祥和同伴没有及时将研究成果公开或提交给国家有关部门进行应用。但是这样的解题思路在之后的雾霾研究中得到了应用,这样的遗憾在日后的研究中也得到了弥补。2009年,甲型H1N1病毒在全球暴发,黄顺祥带队攻关,得出甲型H1N1流感在我国的基本传染率为0.6的科学结论,由此建议疫情防控不需要采取控制流动人口、集体隔离和关闭海关等特别严格的控制措施,被国务院采纳,间接为我国甲型H1N1流感防控减少数百亿经济损失。

去年天津爆炸事故发生后,黄顺祥带队建立的“天津港区8·12特大火灾爆炸事故应急处置决策支持系统”为解放军和武警部队联合指挥部提供了决策支持,为消除人们恐慌发挥了重要作用。近年来,黄顺祥负责建立的化学危害预测预警与控制系统为北京奥运会、深圳大运会、广州亚运会等重大活动安保应急力量部署提供了实时技术支持,为我国执行叙利亚化学武器护航提供了具有自主知识产权的化学风险评估系统,研制的“反化学恐怖决策支持系统”在国家“长城6号”反恐演习进行中进行实战化应用。该成果被评为军队科技进步一等奖。

从军21载,黄顺祥凭借在处理日遗化武领域、核安全领域、生物安全领域、化学安全领域的重大突破和贡献,获得国家技术发明二等奖1项、军队科技进步一等奖4项、二等奖2项、三等奖1项、国家环境保护科学技术二等奖1项,发表论文86篇,出版专著5部,国家发明授权专利19项,软件著作权5项,荣立个人二等功2次、三等功2次,被评为全军优秀共产党员,是全军最年轻的国家技术发明奖首要完成人,国家重点研发计划首席青年科学家。黄顺祥告诉记者:“你看我给你讲这些都轻描淡写,其实都是很难解决的问题,理论与技术都是最前沿的,都是最难啃的骨头。”

2016年10月1日14：00造成北京市五环内空气污染的排放源及贡献率分布

攻关雾霾

为什么总挑难啃的骨头？因为这是国家、军队和社会最需要解决的问题。常年与黄顺祥组队攻关的刘峰博士,这样总结这些年来他们一直在做的事。

2015年在全国科学技术奖励大会上,黄顺祥上台领奖时,给他颁奖的万钢部长对他说:“你们生物气溶胶的项目做得很好,希望下一步在雾霾防控领域深入发展。”黄顺祥激动地回了一句:“好！”他没想到,自己与万钢部长并不相识,但首长却能记住项目的题目和内容,并指引了一个新的方向,令他感到惊喜、压力和希望。但是万部长没有想到的是,其实早在这之前,黄顺祥就已经开始向雾霾发起挑战。

2013年,我国出现大规模雾霾污染天气,国务院出台了大气污染防治行动计划。作为中国环境科学学会特邀常务理事,黄顺祥参与了计划的讨论,意识到有很多问题亟待解决,由此决定踏入霾防控领域。今年,黄顺祥以“大气重污染综合溯源与动态优化控制研究（青年项目）”为题,申请了国家重点研发计划,并成为第一批项目首席科学家。

记者：从核生化领域转战治霾，是再一次挑战新领域吗？

黄顺祥（以下简称黄）：应该说是在核生化应急领域研究基础上开展的。核生化物质在空气中的传输、扩散、沉降、转化过程及其造成影响的控制,与空气中常规污染物的基本原理有一致性,一些通用技术可以用于雾霾防治。但各自又有自身特征,应该说大气污染防治在很多方面更为复杂,具有极大的挑战性。

记者：能不能先介绍一下NARS在雾霾防控方面的突破？

黄：雾霾防控主要分为以下五个方面:一是源清单,包括工业源、生活源、建筑源、交通源等；二是大气环境监测；三是末端控制；四是空气质量预报；五是控制与防治。前四项属于常规技术,发展相对成熟。在这个基础上,呐思系统除了具有排放源、监测结果分析和预报空气质量功能外,首次实现了精准溯源和动态优化控制。

记者：能解释一下什么是精准溯源和动态优化控制吗？

黄：我们说大气重污染到底是由哪些源导致的,以前可以追溯到行业,比如说在北京,交通源占多少比例,生活源占多少比例。也可以追溯到大的区域,比如昌平、海淀。这些溯源做不到精细。比如明天天安门重污染,但你不能确定引起重污染的排放源是在什么时间、什么地点、对天安门污染的贡献是多少。以前的技术做不到,这就是我们提出的精准溯源。第二,一方面污染控制需要一定的成本和代价,比如企业关停要产生经济损失；另一方面,污染控制也要产生一些效益,比如空气质量的改善使疾病减少、心情变好、工作效率提高等。采取什么样的控制措施才能在保证空气质量的同时使控制代价最小,这就是一个优化控制问题。这就是我们取得突破的两个技术瓶颈。

记者：精准溯源如何实现？

黄：每个地方排放源是确定的,作为已知条件,可以得出排放源产生的污染物浓度的时空分布,这是正向的模拟过程。而溯源是一个反向过程。比如天安门出现了重污染,反演哪些污染源导致了天安门的重污染。过去常用的方法是源开关法,就是把各个源关掉,逐一计算污染浓度分布的变化。从时效性来说无法满足需要。现在我们应用伴随算子原理,从目标出发,反向求解,一次性得出每个污染源对目标区域的贡献率,从而实现了高分辨率网格化溯源,即我们所说的精准溯源。

记者：通过精准溯源和动态优化控制，阅兵蓝可以变成常态蓝吗？

黄：北京现在重污染天气一年40天左右,在这个时间里,通过精准溯源,动态地关停部分企业,每个企业关停时间是很小的,这个代价并不大,作为行政措施是可以实现的,就像车辆尾号限行、高峰期限行一样。应该说我们可以以较小代价取得较大效益,从而实现重点区域的常态蓝是可能的。

记者：过去我们是全部关停，精准治霾其实也是一种关停法，只不过过去是一个总开关，现在把它变成了很多个开关来调控？

黄：我们说的精准治霾是一个科学方法,不是消除已产生的霾。通过计算各个源对目标区域污染的贡献率及所产生效益和控制的代价,妙就妙在这里面的算法。现在大家有错觉,治霾是不是用喷雾剂之类的把霾消了,我们不是这个概念。比如北京市为了空气质量达标,对污染有贡献的源你就减排限排,没贡献的就不用管它。精准治霾,就是找准源头,精准发力。

记者：如果减限排企业影响到本地经济发展，这个时候就需要优化控制来解决了。

黄：对。动态优化控制方程如何描述,虽然我只用了半小时就把核心方程写出来了,但对这个问题我思考了很久。这个方程里要把自然、经济、社会和人文等因素都统一在一起,并给出定量计算方法。

记者：如何把人文因素放在方程里？

黄：我们可以这样去理解。比如今天天气很好,你的工作效率会高一些,因为心情很好,这是人文因素。

记者：但如何用数字表达？

黄：目前国内外有一些公开结果可以引用,部分参数我们进行了估算。但这些结果是不是和现实一一对应,有待于进一步统计完善。但是方程本身是严格的,整个优化控制关键要素是全的,而且是量化的,有各项参数。参数的取值本身是一件非常复杂的事情,这个需要做专门的研究,取值要结合当时的社会背景、经济条件和相关政策。

呐思超级计算集群

瓶颈与前景

记者：NARS现在应用情况如何？

黄：目前实现了全国9km、区域3km、局地1km的分辨率预报未来一周的空气质量,京津冀地区的预测准确率达到80%到90%。2015年,我主持了贵阳市空气质量预报预警系统建设项目,目前在贵阳地区实现了分辨率达1km的空气质量预报预警,并初步实现了精准溯源和动态优化控制的业务化,主要是许多基础数据需要进一步补充完善。

记者：这套系统的主要用户是政府？

黄：动态优化控制这项功能的用户主要是政府,因为只有政府才可以去实施减排限排,只有它具有这个职能。

记者：所以NARS实现精准治霾必须依靠政府？

黄：现在就是需要管理部门应用它,要不它的优化控制的功能是实现不了的。我们相当于给管理部门提供了一个决策手段。

记者：所以NARS的有效性有待于政府利用之后才能验证？

黄：从验证的角度上,只要政府去做肯定有效,因为里面所有的方法都是通过严格的理论证明的,通过严格推理来的。就像直角三角形勾股定理,不需要实验,是证明得出的。

记者：这个系统完全就是有待用？

黄：用就可以了,但要在使用过程中补充完善基础数据。

记者：这么自信？

黄：对！说实话,我担心的是这个系统的落地问题,政府用起来有难度。因为它涉及制定一些新的政策,这对政府来说是压力也是阻力。但是你没有新的政策是落实不了的。不过我相信,虽然呐思系统不会很快落地,但迟早要落地,因为大气污染防治的客观需求形成了这种趋势。

记者：这个系统落地后，制定的政策会影响到很多人，系统一旦有任何瑕疵，都会引起风浪。

黄：肯定有瑕疵,只是说我们抓住了主要矛盾。我们是假设气象预报是准的,源是准的,化学模式是准的,那么精准溯源肯定是准的。但是现在的问题是这三个都不准,都有一定的误差。就是方法是精准的,但条件不一定准确。但这三个误差最终导致的误差不一定是加和,它可能还相互抵消,所以溯源的精准性也会在一定的误差范围内。

记者：NARS发布以后，下一步攻关方向是什么？

黄：目前,我们正在发展颗粒物的毒性监测传感器。现在所有的传感器监测的都只是浓度,不监测污染物的毒性。因为颗粒物是一个混合物,常常有几百种物质,它们到底有多大毒性,过去都没有监测。我们现在和北京大学、北京众蓝科技有限公司联合研究一款大气颗粒污染物毒性监测传感器,这些前沿技术也会成为NARS的组成部分。

第二是非常规污染源的反演。我们现在使用的源清单都是常规污染源,企业偷排在这个清单里是没有体现的,还有一些突发事故的污染源。通过监测结果与预测结果关联矩阵的异常,从而识别和反演这些非常规污染源。

记者：现在进行得怎么样？

黄：基本原理都搞清楚了。把基本理论变成一项成熟的技术还有很多路要走。

记者：作为领军人物，这个团队是怎么组建起来的？

黄：这个研究团队最核心的是选准人。因为属于跨学科的交叉领域,人员构成非常重要,必须是各学科方向掌握前沿理论和技术的人才。我的学习和工作背景决定,在中国科学院、北京大学、国家气象局、中国地质大学、防化学院等单位有很多优秀的师兄弟姐妹,很快就组织起了这个队伍。

记者：这个系统引起媒体关注的还有一点，就是军民融合这个概念。

黄：对,呐思系统团队由防化学院牵头,中国科学院大气物理研究所、北京大学、国家气象中心和北京众蓝科技有限公司等单位联合组建。从我们防化学院职能上讲,一是为军队核生化防护服务,二是为国家核生化安全服务,职能上本身就是军民融合。第二,前面讲了雾霾防控的常规技术主要是地方研究成果,技术自身就会融合。★

责任编辑：曹舒雅